Для него возможны 2 варианта схемы движения теплоносителей: прямоточная или противоточная. Противоточная схема, обычно, лучше прямоточной, так как дает возможность получить больший средний температурный напор между теплоносителями и, тем самым, снизить требуемую площадь поверхности теплообмена. Подбираем противоточную схему перемещения теплоносителей. Таблица 2.
2. Теплофизические свойства воды при атмосферном давлении. t, ºСρ, кг/м3cp, Дж/(кг· К)λ
· 102, Вт/(м·К)ν
· 106, м2/сPr 999,9 421 255,11,78 913,6710999,7 419 157,41,3069,5 220 998,2418359,91,0067,230 995,7417461,80,8055,4 240 992,2417463,50,6594,3 150 988,1417464,80,5563,5 460 983,2417965,90,4782,9 870 977,8418766,80,4152,5 580 971,8419567,40,3652,2 190 965,3420868,00,3261,95 100 958,4422068,30,2951,75Коэффициент теплопроводности λ = 67,4
· 10−2 Вт/(м·К).Исходя из построенной схемы, с учетом численных значений температур теплоносителей на входе и выходе из теплообменника, получаем:
Больший температурный напор (3)Меньший температурный напор (4)Рис. 2.
1. Схема температурных напоров.
Средний логарифмический температурный напор (5)Площадь поверхности теплообмена может быть найдена из уравнения теплопередачи: (6)где — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); — площадь поверхности теплообмена, м2. Как правило, радиус кривизны поверхности теплообмена рекуператоров во много раз более ее толщины. В данных условиях коэффициент теплопередачи может быть рассчитанный с помощью уравнения для плоской стенки:(7)где , — соответственно, средние по поверхности теплообмена коэффициенты теплоотдачи от греющего и к нагреваемому теплоносителям, Вт/(м2К);— толщина теплопередающей стенки, м; — коэффициент теплопроводности материала, из которого она изготовлена, Вт/(мК).Приблизительные значения величины коэффициента теплопередачи [4] указаны в таблице 2.
3. Надлежит подметить, что в графе «нагревание и охлаждение газов», наименьшие значения коэффициента теплоотдачи имеют отношение к условиям природной конвекции, а большие — присущи для вынужденной конвекции. Таблица 2.
3. Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи.Процесс.
Коэффициенттеплоотдачи, Вт/(м2К)Нагревание и охлаждение:
газовперегретых паровмаселводы1—6020—12 060—1 700 200—10 000.
Кипение:
органических жидкостейводы600—100 006 000—50 000.
Пленочная конденсация:
Органических паров.
Водяного пара600—25 005 000—20 000.
Таковым образом, если считать, что приблизительное значение коэффициентов теплоотдачи в условиях принужденного перемещения воды в конструируемом рекуператоре может быть где-то 4000—8000.
Вт/(м2К), а поверхность теплообмена, будет иметь толщину 1 мм и сделана из латуни, можем считать прогнозируемый коэффициент теплопередачи равным 2000—4000.
Вт/(м2К).Следственно, оценочное значение площади поверхности теплообмена, будет равно (8).Средняя температура греющего теплоносителя.
Среднюю теплоемкость греющего теплоносителя находим, соответственно, при его средней температуре с помощью таблиц теплофизических свойств воды (таблица 2.2): Дж/(кг· К).Соответственно, из той же таблицы, средняя плотность греющего теплоносителя кг/м3.Массовый расход греющего теплоносителя находим, исходя из уравнения: (9)Подходящие значения скорости разных теплоносителей, принятые на основании опыта конструирования и эксплуатации теплообменных аппаратов, указаны в табл.
2.4. Находим количество трубок в трубном пучке теплообменника. Первоначально задаем скорость воды в трубках м/с.Таблица 2.
4. Рекомендуемые скорости теплоносителей.Теплоносители.
Скорость, м/сМаловязкие жидкости (вода, бензин, керосин).
0,5—3Вязкие жидкости (масла, растворы солей).
0,2—1Запыленные газы при атмосферном давлении6—10Незапыленные газы при атмосферном давлении12—16Газы под давлением (до десятков МПа) До 15—20Насыщенный водяной пар30—50Перегретый водяной пар30—75Предполагаем произвести трубный пучок из латунных трубок размером 16×1, т. е. наружным диаметром мм и толщиной стенки мм. Нагреваемую жидкость будем подавать в полости трубок. Внутренний диаметр трубки (10)Соответственно, средний диаметр трубки равен (11)Тогда требуемое число трубок можно определить из уравнения неразрывности: (12)где — площадь проходного сечения для нагреваемого теплоносителя, м2; — средняя по сечению трубки скорость нагреваемого теплоносителя, м/с.В свою очередь, площадь проходного сечения для подогреваемого теплоносителя формируется из проходных сечений трубок трубного пучка:(13)где — число трубок в пучке. В итоге, можно оценить требуемое число трубок: (14)Принимаем число трубок в пучкеn = 12Уточняем значение скорости нагреваемого теплоносителя в трубках (15)Так как прогнозируемые значения коэффициента теплоотдачи и со стороны подогревающего и со стороны подогреваемого теплоносителей обязаны быть одного и того же порядка, расчет площади поверхности теплообмена производим по среднему диаметру теплопередающих трубок:(16)где — длина трубок в пучке, м. Откуда получаем (17)Сопоставляя полученную длину трубного пучка с данными стандартных секционных теплообменников (табл. 1.1) делаем заключение, что полученная длина приемлема.
2.2.
2. Определение геометрии поперечного сечения теплообменника.
Устанавливаем конструкцию поперечного сечения теплообменника. На рис. 2.2 указан его поперечный разрез. В корпусе 1 размещены трубки 2. Принимаем один из главных разновидностей размещения трубок в трубном пучке — по вершинам равносторонних треугольников. Шаг между трубками традиционно подбирают в пределах. Чем менее шаг между трубками, тем менее площадь сечения для перемещения теплоносителя в межтрубном пространстве, т. е. тем больше скорость его перемещения. Но, с сокращением шага вырастают технологические проблемы крепления трубок в трубных решетках. Принимаем шаг мм. Наименьший зазор между крайними трубками и корпусом теплообменника традиционно берется равным мм. Принимаем мм.
Тогда, как ясно из рис. 2.2, внутренний диаметр корпуса теплообменника будет равен (18)Находим площадь сечения теплообменника для перемещения греющего теплоносителя, т. е. площадь поперечного сечения межтрубного пространства. Данная площадь, соответственно рис. 2.2, равна (19)Рис. 2.
2. Поперечный разрез теплообменника. Следовательно, (20)Скорость движения греющего теплоносителя в межтрубном пространстве (21)Можно подметить, что приобретенные скорости перемещения теплоносителей вмещаются в подходящий диапазон. Поперечное сечение и оценочная длина теплообменника близки к размерам стандартных секционных рекуператоров. Значит, полученные итоги можно взять за базу последующих расчетов.
2.2.
3. Расчет коэффициента теплопередачи и площади поверхности теплообмена.
Последующий этап расчета состоит в установлении коэффициента теплопередачи, площади поверхности теплообмена и длины трубного пучка. Геометрию поперечного сечения теплообменника при этом сохраняем неизменной. Для средней температуры подогреваемого теплоносителяиз таблиц теплофизических свойств воды (табл. 2.2), интерполируя, находим: коэффициент теплопроводности Вт/(мК); кинематический коэффициент вязкости м2/с; число Прандтля Так как подразумеваем сделать теплопередающие трубки из латуни, изменение температуры по толщине поверхности теплообмена мало. Кроме того, прогнозируемые значения коэффициентов теплоотдачи имеют один и тот же порядок. Следовательно в первом приближении станем полагать:
Для данной температуры из таблиц теплофизических свойств воды, интерполируя, определяем число Прандтля при температуре стенки со стороны подогревающего и со стороны подогреваемого теплоносителей:
Находим коэффициент теплоотдачи к подогреваемому теплоносителю, передвигающемуся в трубках. Для расчета позволительно применять какую либо формулу для нахождения среднего коэффициента теплоотдачи при перемещении жидкости в трубе. В таковых формулах определяющим критерием подобия считается число Рейнольдса. Применительно к решаемой задаче оно равно (22)Так как число Рейнольдса превышает его критическое значение, т. е., режим течения в трубках турбулентный. Поэтому применима формула М. А. Михеева [1]: (23)Подставляя в формулу численные значения, находим число Нуссельта: (24)В итоге получаем численное значение среднего по поверхности теплообмена коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости:
Вт/(м2К). (25)Дальше рассчитываем средний по поверхности теплообмена коэффициент теплоотдачи от подогревающего теплоносителя, передвигающегося в межтрубном пространстве. Для средней температуры подогревающего теплоносителяиз таблиц теплофизических свойств воды (табл. 2.2) находим: коэффициент теплопроводности Вт/(мК); кинематический коэффициент вязкости м2/с; число Прандтля .Для каналов сложной геометрии в качестве характерного размера можно использовать эквивалентный диаметргде — площадь сечения, через которое протекает теплоноситель, м2; — смоченный периметр поперечного сечения, м. Применительно к решаемой задаче, в соответствии с рис. 2.2, эквивалентный диаметр канала, по которому движется греющий теплоноситель:
Число Рейнольдса для потока греющего теплоносителя.
Рассчитываем число Нуссельта для греющего теплоносителя:
Коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя:
Вт/(м2К).С учетом того, что толщина стенки теплопередающих трубок м, а коэффициент теплопроводности латуни, из которой они будут изготовлены Вт/(м· К), рассчитываем коэффициент теплопередачи.
Так как в рассматриваемом случае то, с достаточной точностью можно вести расчет, использую среднюю арифметическую разность температур:
Средняя плотность передаваемого теплового потока.
Температура наружной поверхности теплопередающей трубки.
Температура внутренней поверхности теплопередающей трубки.
Из полученных численных значений температур наружной и внутренней поверхностей теплопередающих трубок видно, что они различаются незначительно. Поэтому, число Прандтля при температуре жидкости равной температуре стенки можно взять из таблиц теплофизических свойств воды, полагая, что. В результате получаем уточненные значения. Теперь можно рассчитать уточненное соотношение:(в первом приближении было принято: Точно так же рассчитываем уточненное соотношение (в первом приближении было принято: Таким образом, теперь можно перейти к заключительной стадии конструктивного расчета — окончательному определению поверхности теплообмена и длины трубного пучка:
2.3. Поверочный расчет теплообменника.
Поверочный расчет состоит в том, что для обычного или опять разработанного теплообменника при известных затратах греющего и подогреваемого теплоносителей G1, G2, их исходных температурах t′1, t′2 и площади поверхности теплообмена F потребуется найти окончательные значения температур теплоносителей t″1, t″2, а также передаваемый тепловой поток. Известно [4], что окончательные температуры двух теплоносителей t″1 и t″2 можно подсчитать с помощью уравненийгде E —эффективность теплообменника, т. е. отношение теплового потока, передаваемого в теплообменнике в действительности к его теоретически максимально возможной величине; — теплоемкость греющего и нагреваемого теплоносителя; — наименьшее из произведений и. В технической литературе эти произведения обычно называют водяными эквивалентами и, соответственно, обозначают индексами С1 и С2. В случае прямоточной схемы перемещения теплоносителей общее решение уравнений теплопередачи и теплового баланса дает последующее выражение для производительности теплообменного агрегата:(26)где;; ;N —число единиц переноса; Cmin, Cmax— меньший и больший водяной эквивалент теплоносителей. В случае противоточной схемы движения теплоносителей (27)Применительно к решаемой задаче имеем:(28)Сконструированный теплообменник исполнен по противоточной схеме перемещения теплоносителей. Поэтому имеем:
В итогетемпературы греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из теплообменника соответственно равны:
Вывод. Результаты поверочного расчета подтверждают соответствие конструктивного расчета исходным требованиям на проектирование рекуператора.
Заключение
.
Приведенная методика конструктивного расчета рекуператора дает представление о предпосылках и очередности определения главных геометрических размеров рекуператора, соответственных начальным данным на проектирование. Рассмотренный способ поверочного расчета теплообменника дает возможность установить температуры греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из рекуператора, если известны их расходы и начальные температуры, а также главные геометрические размеры теплообменника. Список используемой литературы1. Бакластов А. М. Промышленные тепломассообменные процессы и установки / А. М. Бакластов, В. А. Горбенко, О. Л. Данилов и др.—М.: Энергоатомиздат, 1986.—328 с.
2. Будников Г. В. Проектирование топок промышленных парогенераторов. — Куйбышев: Авиационный институт,-1980 г.
3. Гусев Ю. Л. Основы проектирования котельных установок.
М.: Стройиздат, 1973. 248с.
4. Эстеркин Ю. М. Промышленные парогенерирующие установки.: Энергия,-1980 г.
5. Исаченко В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел.—М.: Энергоиздат, 1981.—416 с.
6.Калинин А. Ф, «Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата» Москва, «РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина» 2002;7. Краснощеков Е. А. Задачник по теплопередаче.—М.:Энергия, 1980.—288 с.
8. Котлы малой и средней мощности и топочные устройства. Вишерская Г. М. и др. Отраслевой каталог. Москва, 1993 год.
9. Липов Ю. М. Компоновка и тепловой расчет парового котла.
М.: Энергоатомоиздат,-1988 г.
10. Лебедев В. Я. и др. Расчет и проектирование теплоиспользующего оборудования. Методическое пособие кафедры, Иваново, 1992 г.
11. Основные процессы и аппараты химической технологии (Под редакцией Ю. И. Дытнерского — Москва, Химия, 1983 г.) — Пособие по проектированию12. М. И. Пасманик, Б.А. Сасс-Тисовский, Л. М. Якименко. Производство хлора и каустической соды. Справочник, Москва, издательство «Химия», 1966 г.
13. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л. Химия, 1987 г.
14. Поршаков Б. П., «Термодинамика и теплопередача» Москва, «Недра» 1987;15. Ривкин С. Л., Александров А. А. Теплофизические свойства воды и водяного пара.
М.: Энергия, 1960. 424с.
16. Н. Ю. Смирнов и др. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели (чертежа общего вида). Методические указания № 887, Иваново, 2004 г.
17. Сидельковский Л. Н., Юренев. В. Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. — М .: Энергоатомиздат, 1988.
— 518 с.:ил. 18. Справочник по теплообменникам, т. 2 / пер. с англ. под ред. О. Г. Мартыненко и др.—М.: Энергоатомиздат, 1987.—352 с.
19. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Издание 2-е, переработанное / Под редакцией Кузнецова Н. В. и др.- М.: Энергия, 1973.-296с.
20. Трошин А. К., «Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок» Москва, «МПА — Пресс» 2006;
